Lógica com luz: Conheça o computador por projeção de difração

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/10/2024

Visão geral da arquitetura, mostrando uma imagem de entrada e camadas adicionais, que se combinam de diferentes maneiras para executar operações lógicas quando a luz passa pela pilha.
[Imagem: Ryosuke Mashiko et al. - 10.1117/1.AP.6.5.056005]

Projeção de sombra

Pesquisadores japoneses apresentaram mais uma arquitetura para a computação óptica, ou computação fotônica, que usa luz em lugar da eletricidade - além de ser muito mais rápida, a computação com luz consome uma fração da energia em relação aos computadores eletrônicos.

E não se trata apenas de mais um "candidato" alternativo que seja teoricamente possível, mas uma técnica prática e mais atraente que outras alternativas para implementação em dispositivos de computação de próxima geração.

"Na década de 1980, pesquisadores no Japão exploraram um método de computação óptica chamado 'projeção de sombra', que conseguia executar algumas operações lógicas simples. Mas sua implementação foi baseada em formas ópticas geométricas relativamente volumosas, talvez análogas às válvulas usadas nos primeiros computadores digitais. O princípio funcionou, mas lhe faltava flexibilidade e facilidade de integração para fazer algo útil," contou o professor Ryoichi Horisaki, da Universidade de Tóquio.

Ele e seus colegas então tiveram uma ideia: Trocar as formas geométricas por algo que esteja inerentemente no próprio feixe de luz usado para a computação. Neste caso, eles escolheram o fenômeno da difração - a difração é o redirecionamento, ou espalhamento, da onda de luz quando ela encontra um obstáculo.

Diagrama esquemático da computação por projeção de difração. A seleção de uma operação lógica é realizada usando iluminação reconfigurável, sem nenhuma modificação nas imagens.
[Imagem: Ryosuke Mashiko et al. - 10.1117/1.AP.6.5.056005]

Projeção de difração

"Nós introduzimos um esquema de computação óptica chamado projeção de difração, que melhora a projeção de sombra. A projeção de sombra é baseada em raios de luz interagindo com diferentes geometrias, enquanto a projeção de difração é baseada em propriedades da própria onda de luz, o que resulta em elementos ópticos mais espacialmente eficientes e funcionalmente flexíveis, que são extensíveis de maneiras que você esperaria e exigiria de um computador universal. Executamos simulações numéricas que produziram resultados muito positivos, usando pequenas imagens em preto e branco de 16 por 16 píxeis como entradas, menores do que ícones em uma tela de celular," detalhou Horisaki.

Outro detalhe importante é que o sistema inteiro de computação é óptico, ou seja, apenas a saída final é convertida para algo eletrônico e digital, para apresentação em uma tela, por exemplo - antes desse estágio, cada etapa do sistema é óptica.

Os dados para processamento também são inseridos no sistema por meio de uma imagem. Isso naturalmente sugere que o processador de luz pode ser usado para processamento de imagens, mas outros tipos de dados, especialmente aqueles usados em sistemas de aprendizado de máquina, também podem ser representados graficamente. A imagem que serve como fonte de dados é combinada com uma série de outras imagens construídas especificamente para representar estágios das operações lógicas tradicionais, como AND, OR, NOR etc.

Funciona como as camadas em um aplicativo de edição de imagens: Uma camada de entrada que pode receber inúmeras outras camadas por cima, projetadas para obscurecer, manipular ou transmitir algo da camada abaixo. Para fazer o processamento, um feixe de luz atravessa as camadas de baixo para cima, lançando uma imagem (daí o termo "projeção" de difração) em um sensor, que então transforma cada píxel da imagem de saída em um dado digital, para armazenamento ou apresentação ao usuário.

Duas propostas para a realização experimental da arquitetura.
[Imagem: Ryosuke Mashiko et al. - 10.1117/1.AP.6.5.056005]

Placa de computação óptica

A equipe demonstrou a viabilidade do uso da projeção de difração para a realização de 16 operações lógicas.

"A projeção de difração é apenas um bloco de construção em um computador hipotético baseado nesse princípio, e pode ser melhor pensar nisso como um componente adicional, em vez de uma substituição completa dos sistemas existentes, semelhante à forma como as unidades de processamento gráfico são componentes especializados para cargas de trabalho de gráficos, jogos e aprendizado de máquina," disso Ryosuke Mashiko, membro da equipe.

O próximo passo será construir um protótipo de computador óptico por projeção de difração, para que fiquem mais claros os desafios de engenharia que deverão ser vencidos para viabilizar a construção de uma "placa de computação óptica" prática.

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